膜生物反應器主要由膜分離組件和生物反應器組成。通常提到的膜生物反應器實際上是三種反應器的總稱：

 

       ①曝氣膜-生物反應器(Aeration Membrane Bioreactor,AMBR) ；

 

       ②提取膜-生物反應器（ExtractiveMembrane Bioreactor,EMBR）；

 

       ③固液分離膜-生物反應器（Solid/Liquid SeparationMembrane Bioreactor,SL ** BR,簡稱 MBR）。

 

1曝氣膜

 

 

   不受傳統曝氣中氣泡大小和停留時間的影響。不受傳統曝氣中氣泡大小和停留時間的因素的影響。

 

2萃取膜

 

 

   也會造成空氣污染。還會造成大氣污染。

 

       英國學者Livingston研究開發了EMB。廢水與活性污泥分離，廢水在膜內流動，含有特定細菌的活性污泥在膜外流動，廢水與微生物不直接接觸，有機污染物可通過膜選擇性降解。由于提取膜兩側的生物反應器單元和廢水循環單元各自獨立，各單元的水流相互影響不大，營養物質和微生物在生物反應器中的生存條件不受廢水水質的影響，使水處理效果穩定。如系統的運行條件HRT和SRT污染物降解率可分別控制在最佳范圍內。

 

3固液分離型

 

       固液分離膜生物反應器是水處理領域研究最廣泛、最深入的膜生物反應器。它是一種用膜分離過程取代傳統活性污泥法中二次沉淀池的水處理技術。固體有機物通過膜組件返回反應器，然后排出處理過的有機水。膜分離生物反應器的類型可根據膜組件和生物反應器的位置進行分類。

 

   然后通過泵抽出過濾液。再通過泵將過濾液抽出。

 

       在傳統的廢水生物處理技術中，泥漿和水的分離是通過重力在二沉池中完成的。其分離效率取決于活性污泥的沉降性能。沉降越好，泥漿和水的分離效率就越高。污泥的沉降取決于曝氣池的運行狀態，必須嚴格控制曝氣池的運行條件，限制了該方法的應用范圍。由于二沉池固液分離的要求，曝氣池污泥不能保持較高濃度，水質惡化。出水水質惡化。

 

       針對上述問題，MBR將分離工程中的膜分離技術與傳統廢水生物處理技術有機結合，大大提高了固液分離效率；由于曝氣池中活性污泥濃度的增加和污泥中特效菌（特別是優勢菌群）的出現，提高了生化反應率；同時，通過降低F/M比減少剩余污泥產生量（甚至為0），從而基本解決了傳統活性污泥法存在的許多突出問題。

   

 

2

工藝類型

 

       根據膜組件和生物反應器的組合，膜生物反應器可分為三種基本類型：分離、集成和復合。（以下討論均為固液分離膜生物反應器）

 

       分置式

 

       分別設置膜組件和生物反應器。生物反應器中的混合物通過循環泵加壓到膜組件的過濾端。在壓力作用下，混合物中的液體通過膜成為系統處理水；固體物質和大分子物質被膜攔截，并隨濃縮液返回生物反應器。

 

   1997）。1997）。

 

1一體式

 

       將膜組件放置在生物反應器內。水進入膜生物反應器，大部分污染物被混合物中的活性污泥去除，然后在外部壓力下通過膜過濾。

 

       這種形式的膜--生物反應器由于省去了混合液循環系統，并且靠抽吸出水，能耗相對較低；占地較分置式更為緊湊，近年來在水處理領域受到了特別關注。但是一般膜通量相對較低，容易發生膜污染，膜污染后不容易清洗和更換。

   

 

2復合式

 

       形式也屬于集成膜生物反應器，區別在于在生物反應器中安裝填料，形成復合膜生物反應器，改變反應器的某些特性。

 

3

工藝特點

 

       與許多傳統的生物水處理工藝相比，MBR 主要優點如下：

 

 

出水水質優良穩定

 

       由于膜的有效分離，分離效果遠好于傳統沉淀池，處理出水非常清澈，懸浮物和濁度接近零，細菌和病毒大大去除，出水水質優于建設部頒發的生活雜用水水質標準（CJ25.1-89)可直接作為非飲用市政雜用水回用。

 

       同時，膜分離也使微生物在生物反應器中完全切斷，使系統能夠保持較高的微生物濃度，不僅提高污染物反應裝置的整體去除效率，保證良好的水質，同時反應器對進水負荷（水質和水）變化具有良好的適應性，抗沖擊負荷，能穩定獲得高質量的水質。

 

剩余污泥產量較少

 

       該工藝可在高容積負荷、低污泥負荷下運行，剩余污泥產量低(理論上可實現零污泥排放)，降低了污泥處理成本。

 

3.面積小，不受設置場合限制

 

       生物反應器能保持高濃度的微生物量，處理裝置體積負荷高，大大節省面積；工藝簡單，結構緊湊，占地面積小，不受設置場所限制，適合任何場合，可制成地面、半地下、地下。

 

4可去除氨氮和難降解有機物

 

       由于微生物在生物反應器中被完全截流，有利于硝化細菌等微生物的緩慢生長，提高了系統的硝化效率。同時，可以增加系統中一些難降解有機物的水力停留時間，有利于提高難降解有機物的降解效率。

 

操作管理方便，自動控制方便

 

       該工藝實現了水力停留時間（HRT）與污泥停留時間（SRT）完全分離，操作控制更加靈活穩定，是污水處理中易于實現設備化的新技術，可實現微機自動控制，使操作管理更加方便。

 

66從傳統工藝易于改造

 

       該工藝可作為傳統污水處理工藝的深度處理單元，在城市二級污水處理廠（實現大量城市污水回用）等領域具有廣闊的應用前景。

 

膜-生物反應器也存在一些不足。主要表現在以下幾個方面：

 

       (1)膜成本高，使膜-生物反應器基礎設施投資高于傳統污水處理工藝；

 

       (2)膜污染易發生，給操作管理帶來不便；

 

       (3)能耗高:首先MBR泥水分離過程必須保持一定的膜驅動壓力；其次是MBR池中MLSS濃度很高，為了保持足夠的氧傳輸速率，必須增加曝氣強度；為了增加膜通量，減少膜污染，必須增加流量，清洗膜表面，造成MBR能耗高于傳統的生物處理工藝。

 

3

工藝用膜

 

       膜可以由很多種材料制備，可以是液相、固相甚至是氣相的。目前使用的分離膜絕大多數是固相膜。根據孔徑不同可分為：微濾膜、超濾膜、納濾膜和反滲透膜；根據材料不同，可分為無機膜和有機膜，無機膜主要是微濾級別膜。膜可以是均質或非均質的，可以是荷電的或電中性的。廣泛用于廢水處理的膜主要是由有機高分子材料制備的固相非對稱膜。

 

膜的分類依據及分類：

 

1膜材質

 

       聚合物有機膜材料：聚烯烴、聚乙烯、聚丙烯腈、聚啶、芳香族聚酰胺、含氟聚合物等。

 

       有機膜成本相對較低，成本低，膜制造工藝成熟，膜孔徑和形式多樣，應用廣泛，但操作過程易污染，強度低，使用壽命短。

 

       2、無機膜：是一種由金屬、金屬氧化物、陶瓷、多孔玻璃、沸石、無機聚合物材料等無機材料制成的半透膜。

 

       目前在MBR陶瓷膜多用于無機膜。優點是:它可以在那里pH=0~14、壓力P<10MPa、溫度<350 ℃在環境中，其通量高、能耗相對較低，在高濃度工業廢水處理中具有競爭力；缺點是成本高、耐堿性低、彈性小、膜加工制備困難。

 

2膜孔徑

 

       MBR 工藝中使用的膜一般為微濾膜（MF）和超濾膜（UF），大都采用0.1～0.4μm膜孔徑對于固液分離膜反應器來說已經足夠了。

 

       微濾膜常用的聚合物材料有酸酯、纖維素酯、聚偏二氟乙烯、聚醚、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚醚酰亞胺、聚丙烯、聚醚醚酮、聚酰胺等。

 

       聚合物材料常用于超濾：聚硫、聚醚硫（PES）、聚酰胺，聚丙烯腈（PAN）、聚偏氟乙烯、纖維素酯、聚醚醚酮、聚亞酰胺、聚醚酰胺等。

 

3膜組件

 

 

       為了便于工業生產和安裝，提高膜的工作效率，實現單位體積中最大的膜面積，膜通常以某種形式組裝在基本單元設備中，在一定的驅動力下完成混合物中各組分的分離，稱為膜組件（Module）。

 

工業上常用的膜組件有五種形式：

 

       板框、螺旋卷、圓管、中空纖維和毛細管。前兩種使用平板膜，后三種使用管膜。圓管膜的直徑>10mm；毛細管式0.5~10.0mm；中空纖維式<0.5mm。

 

       附表：各種膜組件的特點

 

   

       MBR 工藝中常用的膜組件形式有：板框式、圓管式、中空纖維式。

 

       （1）板框式

 

       MBR最早使用的膜組件形式與普通板框壓濾機相似。

 

       優點：制造組裝簡單，操作方便，維護、清潔、更換方便。

 

       缺點：密封復雜，壓力損失大，填充密度小。

 

       （2）圓管式

 

       它由膜和膜的支撐體組成，包括內壓型和外壓型。實際上，內壓型主要用于進水從管內流入，滲透液從管外流出。膜的直徑是 6~24mm 之間。

 

       優點：料液能控制湍流，不易堵塞，易清洗，壓力損失小。

 

       缺點：裝填密度小。

 

       (3)中空纖維型

 

       如下圖所示，外徑一般為40~250μm，內徑為25～42μm。在MBR在中間，組件通常直接放入反應器中，不需要耐壓容器，形成浸沒膜-生物反應器。一般為外壓膜組件。

 

       (4)柱中空纖維膜

 

       優點：耐壓強度高，不易變形，無支撐材料，填充密度高，成本相對較低，使用壽命長，尼龍空心纖維膜物化性能穩定，透水性低。

 

       缺點：對堵塞敏感，污染和濃差極化對膜的分離性能有很大影響。

 

(5)螺旋卷

 

       螺旋卷簡稱卷，主要部件為多孔支撐材料，兩側為膜，三側密封，開放邊與多孔中心產品水收集管密封連接，在膜袋外原水側墊一層網狀間隔材料，膜袋-網依次重疊，繞中心水管緊密卷，形成膜卷，進入圓柱壓力容器，制成螺旋膜組件。

 

       優點：膜填充密度高，膜支撐結構簡單，厚差極化小，容易調節膜流態。

 

       缺點：中心管易泄漏；膜與支撐材料的粘結膜易破裂泄漏；膜的安裝和更換困難。

 

MBR膜組件設計的一般要求：

 

　　（1）對膜提供足夠的機械支撐，流道通暢，沒有流動死角和靜水區；

 

　　（2）能耗較低，盡量減少濃差極化，提高分離效率，減輕膜污染；

 

　　（3）盡可能高的裝填密度，安裝，清洗、更換方便；

 

　　（4）具有足夠的機械強度、化學和熱穩定性。

 

　　膜組件的選用要綜合考慮其成本，裝填密度、應用場合、系統流程、膜污染及清洗、使用壽命等。

 

5

應用領域

 

　　進入90年代中后期，膜--生物反應器在國外已進入了實際應用階段。加拿大Zenon 公司首先推出了超濾管式膜--生物反應器，并將其應用于城市污水處理。為了節約能耗，又開發了浸入式中空纖維膜組件，其開發出的膜--生物反應器已應用于美國、德國、法國和埃及等十多個地方，規模從380m3 /d至7600m3/d。日也是世界上浸入式中空纖維膜的知名提供商，其在MBR的應用方面也積累了多年的經驗，在日本以及其他國家建有多項實際MBR工程。日本Kubota公司是另一個在膜--生物反應器實際應用中，它所生產的板式膜具有流通量大、耐污染和工藝簡單等特點。國內一些研究者及企業也在MBR實用化方面進行著嘗試。

 

　　現在，膜--生物反應器已應用于以下領域：

 

城市污水處理及建筑中水回用

 

 

　　1967年第一個采用MBR工藝的廢水處理廠由美國的Dorr-Oliver公司建成，這個處理廠處理14m3/d廢水。1977年，一套污水回用系統在日本的一幢高層建筑中得到實際應用。1980年，日本建成了兩座處理能力分別為 10m3/d 和50m3/d的MBR處理廠。90年代中期，日本就有39座這樣的廠在運行，最大處理能力可達500m3 /d，并且有100 多處的高樓采用MBR將污水處理后回用于中水道。1997年，英國Wes ** 公司在英國Porlock建立了當時世界上最大的MBR系統，日處理量達2000m3，1999年又在Dorset的Swanage建成了13000m3/d的MBR工廠。

 

　　1998年5月，清華大學進行的一體式膜--生物反應器中試系統通過了國家鑒定。2000年初，清華大學在北京市海淀鄉醫院建起了一套實用的MBR系統，用以處理醫院廢水，該工程于2000年6月建成并投入使用，目前運轉正常。2000 年 9 月，天津大學楊造燕教授及其領導的科研小組在天津新技術產業園區普辰大廈建成了一個MBR示范工程，該系統日處理污水25t，處理后的污水全部用于衛生間的沖洗及綠地澆灑，占地面積為10平方米，處理每噸污水的能耗為0.7kW·h。

 

工業廢水處理

 

　　90年代以來，MBR的處理對象不斷拓寬，除中水回用、污水處理以外，MBR在工業廢水處理中的應用也得到了廣泛關注，如處理食品工業廢水、水產加工廢水、養殖廢水、化妝品生產廢水、染料廢水、石油化工廢水，均獲得了良好的處理效果。90年代初，美國在Ohio建造了一套用于處理某汽車制造廠的工業廢水的MBR系統，處理規模為151m3/d，該系統的有機負荷達6.3kgCOD/m3·d ，COD去除率為94%，絕大部分的油與油脂被降解。在荷蘭，一座脂肪提取加工廠采用傳統的氧化溝污水處理技術處理其生產廢水，由于生產規模的擴大，結果導致污泥膨脹，污泥難以分離，最后采用Zenon的膜組件代替沉淀池，運行效果良好。

 

微污染飲用水凈化

 

　　隨著氮肥與殺蟲劑在農業中的廣泛應用，飲用水也不同程度受到污染。LyonnaisedesEaux公司在90年代中期開發出同時具有生物脫氮、吸附殺蟲劑、去除濁度功能的MBR工藝，1995 年在法國的Douchy建成了日產飲用水400m3的工廠。出水中氮濃度低于0.1mgNO2/L，殺蟲劑濃度低于0.02μg/L 。

 

污水處理

 

　污水中有機物含量很高，傳統的反硝化處理方法要求有很高污泥濃度，固液分離不穩定，影響了三級處理效果。MBR的出現很好地解決了這一問題，并且使污水不經稀釋而直接處理成為可能。

 

　　日本已開發出被稱之為NS系統的屎尿處理技術，最核心部分是平板膜裝置與好氧高濃度活性污泥生物反應器組合的系統。NS系統于1985年在日本琦玉縣越谷市建成，生產規模為10kL/d，1989年又先后在長崎縣、熊本縣建成新的屎尿處理設施。NS系統中的平板膜每組約0.4m2共幾十組并列安裝，做成能自動打開的框架裝置，并能自動沖洗。膜材料為截流分子量20000的聚砜超濾膜。反應器內污泥濃度保持在15000~18000mg/L范圍內。到 1994 年，日本已有1200多套MBR系統用于處理4000多萬人的污水。

 

土地填埋場/肥滲濾液處理

 

　　土地填埋場/堆肥滲濾液含有高濃度的污染物，其水質和水量隨氣候條件與操作運行條件的變化而變化。MBR技術在1994年前就被多家污水處理廠用于該種污水的處理。通過MBR與RO技術的結合，不僅能去除SS、有機物和氮，而且能有效去除鹽類與重金屬。最近美國Envirogen公司開發出一種MBR用于土地填埋場滲濾液的處理，并在新澤西建成一個日處理能力為40萬加侖（約1500m3/d）的裝置，在2000年底投入運行。該種MBR使用一種自然存在的混合菌來分解滲濾液中的烴和氯代化合物，其處理污染物的濃度為常規廢水處理裝置的50 ～ 100倍。能達到這一處理效果的原因是，MBR能夠保留高效細菌并使細菌濃度達到50000g/。在現場中試中，進液COD為幾百至40000mg/L，污染物的去除率達90%以上。

　　

 

6

發展前景和方向

 

　　（1）現有城市污水處理廠的更新升級，特別是出水水質難以達標或處理流量劇增而占地面積無法擴大的水廠。

 

　　（2）無排水管網系統的小區，如居民點、旅游度假區、風景區等。

 

　　（3）有污水回用需求的地區或場所，如賓館、洗車業、客機、流動廁所等充分發揮MBR占地面積小、設備緊湊、自動控制、靈活方便的特點。

 

　　（4）高濃度、有毒、難降解工業廢水處理。如造紙、制糖、酒精、皮革、合成脂肪酸等行業，是一種普遍的點源污染。MBR 可以對這些常規處理工藝無法達標的廢水進行有效的處理，并實現回用。

 

　　（5）垃圾填埋廠滲濾液的處理及回用。

 

　　（6）小規模污水廠（站）的應用。膜技術的特點十分適合處理小規模污水。

 

未來的研究重點

 

　　（1）膜污染的機理及防治。

 

　　（2）工藝流程形式及運行條件的優化。

 

　　（3）污泥產率與運行條件的關系，以合理減少污泥產量，降低污泥處理費用。

 

　　（4）反應器內微生物的代謝特性及其對出水水質、污泥活性等的影響，從而確定適宜的微生物生長及代謝條件。

 

　　（5）工藝經濟性研究。在目前國內經濟發展水平、膜產品供應狀況和規范設計要求的條件下，MBR 用于污水處理的最大經濟流量的確定。

 

　　（6）以節能、處理特殊水質對象、兼具脫氮除磷、操作維護簡便、可以長期穩定運行等為目標，開發新型的膜生物反應器。